古城墻磚制作工藝及其物理力學特征研究

徐佳誠 張德恒 黃梓宸 季陽 魏國訪 胡豹 吳曼青

摘 要 城墻記載了一個國家，一個朝代的歷史。但是隨著時間的變遷，許多城墻磚受到了破壞，需要及時修繕。同時，部分地區發展也需要修建城墻。這需要城墻磚具有極好的性能。本文中將黏土作為原始材料，研磨成不同大小的顆粒，混合不同比例的水，燒制成磚。研究不同顆粒大小（粒度），不同含水率的城墻磚性能。規定顆粒大小分別不超過5mm和2mm。含水率分別為25%，30%，35%。根據抗壓實驗、抗剪實驗、風化實驗，測定出最優城墻磚顆粒的大小以及含水率。

關鍵詞 城墻磚；黏土；顆粒大小（粒度）；含水率；抗壓抗剪

前言

黏土，是一種重要的礦物原料。是顆粒非常小的（<2?m）可塑的硅酸鋁鹽。黏土是一種重要的礦物原料，廣泛分布于世界各地的巖石和土壤中，可用于制造陶瓷制品，耐火材料，建筑材料等。黏土礦物用水濕潤后具有可塑性，在較小壓力下可以變形并能長久保持原狀，而且比表面積大，顆粒上帶有負電性，因此有很好的物理吸附性和表面化學活性，具有與其他陽離子交換的能力。當含水量較小時，水處于強結合水狀態，土粒之間摩擦力，黏結力都很大，土粒的相對移動有困難，因而不易被擊實。當含水量增加時，水膜變厚，土塊變軟，摩擦力和黏結力也減弱，土粒之間彼此容易移動。而且粗大土粒其形狀呈塊狀或粒狀，隨著搬運或風化程度不同而呈現不同的形狀；細小土粒主要呈片狀。土粒大小和含水率兩個因素的同時作用將會對城墻磚的性能有很大的影響。大量的案例表明，城墻磚的很容易出現裂縫，碎裂，腐蝕等現象，后期修繕將耗費大量的人力物力。對城墻磚性能的改良將節省大量的資源，在合理范圍之內降低工程成本的造價。同時在對黏土的研究以及工程實踐的過程中有極大的推動作用。

古代人做磚，都會讓牛在泥上來回踩，使水和土混合均勻。現代人工做磚，為了達到同樣的效果，也采用相同的方法。人在按一定配比混合好的黏土上來回踩，黏土和水大致混合均勻即可停止。再將踩好的黏土放入準備好的可拆卸城墻磚模具中，在模具上人工來回踩，排出黏土中的氣泡，并且將使黏土充分填滿模具。完成這個過程以后，用硬鐵絲將上表面多余的黏土剝離。最后用刮板將上表面抹平即可脫模。將側面的模具脫掉后，拖住模具下底面將城墻磚立起來晾干，并且兩天后倒置，使城墻磚水分散失均勻，倒置過程中用刮板將表面刮平，使城墻磚表面平整，如此反復一星期即可燒制[1]。

1 實驗材料

（1）黏性土是采用的江蘇省南京工程學院校園內土，塑限為23%，液限為39%，塑性指數為16%的粉質黏土，粉碎并烘干48h，然后將烘干后的土研磨，過2mm與5mm的篩。

（2）天然純凈水

（3）不銹鋼模具（17.5cm*7.5cm*5cm）

2 實驗方案

研究在不同含水率、不同黏土顆粒粒徑下的磚抗壓強度以及剝落強度，黏土的含水率分別為25%、30%、35%，黏土顆粒粒徑分別為2mm、5mm。將顆粒粒徑為2mm、5mm黏土加入相應天然純凈水，充分拌和，放至陰涼處悶料48小時。接著將悶土壓入模具，隔層振搗壓實，成型脫模。探究不同含水率以及顆粒粒徑的最佳抗壓強度。

2.1 試樣制備

（1）取黏土試樣，將土烘干至恒重，用木槌搗碎，并分別過2mm、5mm篩。

（2）根據試驗要求，將2mm、5mm粒徑分別摻入含水率為 25%、30%、35%，每組6份將悶料后混合黏土壓入模具，振搗成型，脫模，陰干60天。

2.2 試驗方法

（1）測試天然黏土的體積、液塑限、體積收縮率等物理特性指標。

（2）測試黏土磚在不同粒徑以及不同含水率條件下的剝落強度、抗壓能力。

2.3 力學強度試驗

采用微機控制電子式萬能試驗機，以位移0.5mm/min作為控制指標，最大力為30kN，根據圖像浮動，記錄各個強度峰值，確定最佳配比[2]。

3 試驗結果及分析

2mm粒徑對應含水率25%、30%、35%的剝落強度、斷裂強度。通過抗壓試驗結果，剝落強度在30%～32%的含水率時，強度接近最大。當含水率超過32%時，剝落、抗壓強度急劇下降。

5mm粒徑對應含水率25%、30%、35%時，大約在含水率27%～32%斷裂強度最高，但是含水率在25%～30%之間，黏土磚的抗剝落強度較低。

相同含水率的情況下，2mm粒徑的斷裂強度遠大于5mm粒徑的斷裂強度，抗剝落強度整體優于5mm粒徑的試件。

綜上，2mm粒徑的黏土試件剝落強度以及斷裂強度優于5mm試件，2mm對應的最佳含水率范圍大致在30%～32%，5mm對應的斷裂強度最佳含水率在26%左右。

參考文獻

[1] 熊國軍，胡國祥.荊州古城墻損傷與保護[J].廣西城鎮建設，2007， （10）：43-45.

[2] 柳世華.淺談古城墻的修繕與保護[J].科技創業家，2012，（22）：45.